Marco Bagaglia - Associazione Astronomica Umbra - Osservatorio Astronomico e Geofisico di Scheggia/Pascelupo
Marzo 2004
Webcam e astronomia.
Attualmente sul mercato sono disponibili molti modelli di webcam che possono essere utilizzati per riprendere immagini astronomiche. Queste camere sono diverse da quelle specificamente studiate per uso astronomico. Ad esempio la prima diversità che si nota è quella della mancanza del raffreddamento del chip, che di solito è realizzato con dei dispositivi denominati celle Peltier, oltre ad essere coadiuvato in alcuni casi dalla possibilità di far circolare del liquido nel radiatore di dissipazione al fine di asportarne il calore. Nonostante tutto in questi ultimi anni le webcam, stante la loro continua evoluzione dal punto di vista tecnologico, sono state sempre più utilizzate, in particolare dagli appassionati dell’osservazione del cielo, per impieghi dedicati all’astronomia: una classica applicazione è quella delle ripresa degli oggetti del Sistema Solare. La Grande Opposizione di Marte verificatasi nei mesi scorsi ci ha regalato delle spettacolari immagini del Pianeta Rosso realizzate con le webcam. Con queste note, basate essenzialmente sulla mia esperienza personale, voglio dare un modesto contributo alla conoscenza, soprattutto dal punto di vista elettronico, di queste piccole, sorprendenti ed efficaci macchine. Inoltre spero che siano di utilità per coloro che intendono effettuare delle modifiche al loro circuito.
Tipi di webcam.
Al momento sono disponibili in commercio essenzialmente due tipi di webcam che differiscono per il genere di sensore impiegato: CCD e CMOS. Poi per quello che riguarda marca e modello, la scelta è molto vasta come anche i prezzi. Quelle che impiegano il CCD hanno un sensore simile a quello che usano le vere e proprie camere per astronomia. E sono maggiormente apprezzate perché il sensore è più “silenzioso” dal punto di vista del rumore termico ed elettronico generato. Quelle CMOS impiegano un tipo di sensore maggiormente rumoroso, ma sicuramente molto più economico. In ogni caso è doveroso osservare che i sensori CMOS stanno sempre più migliorando e quindi il divario tra loro e quelli CCD si sta riducendo. Di conseguenza ci si auspica che entro breve vengano prodotte delle webcam CMOS con prestazioni simili a quelle CCD.
Sensori d’immagine CCD e CMOS: qualche considerazione in merito.
Il sensore CCD è costituito da una serie di elementi fotosensibili, chiamati pixel, che sono tipicamente disposti in una matrice bidimensionale di righe e colonne (Fig. 1).
Fig. 1 matrice di pixel di un CCD e sistema di lettura.
Dopo l’esposizione, ogni pacchetto di cariche che è dentro la matrice, viene trasportato ad un’uscita comune che converte la carica in voltaggio. Dal punto di vista del rumore termico e del rumore elettronico i sensori CCD sono dispositivi ragionevolmente “quieti”. In ogni caso il fatto che usano un amplificatore d’uscita unico, adattabile per un’ottima figura di rumore, consente di ottenere prestazioni elevate in questo senso.
Fig. 2 due sensori della CANON: un CCD e un CMOS.
I pixel dei sensori CMOS sono praticamente uguali a quelli dei CCD e disposti sempre in una matrice a due dimensioni. Ogni pixel contiene un dispositivo fotosensibile che normalmente è un fotodiodo e dei transistor MOSFET. Nel caso dei sensori con tecnologia APS (Active Pixel Sensor), attualmente abbastanza diffusi, in ogni pixel è incorporato anche un amplificatore che consente di ottenere una figura di rumore migliore. La sensibilità e la risoluzione spaziale sono correntemente inferiori a quelle dei CCD, in particolare nei sensori più economici. Questo problema si manifesta soprattutto per livelli di illuminazione bassi. I sensori CMOS presentano inoltre valori maggiori per quanto riguarda sia il rumore elettronico sia quello termico, anche se questo divario si sta riducendo a causa del miglioramento dei processi tecnologici di produzione. L’efficienza quantica[1] (QE) dei sensori CMOS è in genere minore di quella dei CCD. In ogni caso per valutare correttamente la QE occorre tenere presente tre tipi di dispersioni che si verificano nei sensori d’immagini: le perdite per assorbimento, riflessione e trasmissione. L a perdita per assorbimento è tipicamente collegata alle zone non sensibili ai fotoni, che si trovano sopra e dentro i pixel. Le perdite per riflessione e trasmissione sono invece da imputare alle proprietà fisiche del silicio. A certe lunghezze d’onda le perdite per riflessione sono rilevanti. Per esempio a 250 nm raggiungono il 70 %: in pratica il sensore riflette molta della luce che lo colpisce. La perdita per trasmissione si verifica quan“leggere”do dei fotoni passano attraverso la superficie sensibile, una regione che ha tipicamente uno spessore di circa 10 mm, senza però generare delle cariche e quindi un segnale. Questa problema è evidente a lunghezze d’onda molto corte (0,2 nm ovvero raggi X morbidi) o molto lunghe (700 nm, vicino infrarosso). I sensori CMOS rispetto a quelli CCD soffrono di perdite per assorbimento superiori, perché in ogni pixel sono presenti dei transistor MOS ad effetto di campo (MOSFET) che consentono di “leggere” il pixel. Questi MOSFET sono dal punto di vista ottico insensibili e quindi non contribuisco alla cattura dei fotoni. Inoltre per ogni pixel di un sensore CMOS, sono necessari almeno tre MOSFET per effettuarne la lettura. Nei sensori CCD non sono necessari transistor di lettura e quindi sono costruiti in maniera che tutto il pixel è sensibile ai fotoni incidenti. I sensori CMOS richiedono inoltre che siano presenti alcuni collegamenti, ovviamente metallici, per interconnettere i MOSFET tra loro.Questi collegamenti sono posti sopra il pixel e producono una sorta di “tunnel ottico” che i fotoni devono percorrere per raggiungere la superficie sensibile.
Cenni sulla struttura circuitale delle webcam.
La webcam ha una sua tipica struttura circuitale, che è diversa a seconda se usa un sensore CCD o CMOS. In genere le webcam che usano un sensore CCD hanno un maggior numero di componenti discreti, costituiti da circuiti integrati ed elementi passivi quali resistori, condensatori ecc. Quelle che impiegano sensori CMOS sono invece molto integrate e gli elementi separati sono pochi. Molto spesso s'impiega un unico circuito integrato che incorpora microprocessore di controllo, interfaccia USB ecc. E il motivo per cui le webcam CMOS sono genericamente più economiche e proprio questo. La forte integrazione di gran parte delle funzioni in un unico chip, permette costi di produzione minori. Dal punto di vista funzionale entrambi i tipi sono idonei per riprendere immagini astronomiche, anche se, almeno per ora, quelle che impiegano il CCD sono in genere migliori. In ogni caso è fondamentale tenere presente che, se vogliamo modificarle per fare per esempio pose lunghe, è in pratica obbligatorio orientare il nostro interesse verso webcam che impiegano come sensori dei CCD. Il motivo è semplice: quelle che impiegano CCD sono costituite da diverse parti elettroniche assiemate, dove è possibile intervenire per controllare determinati parametri con una certa facilità. In particolare attualmente sono facilmente modificabili tutte le webcam che usano come pilotaggio per il chip CCD il circuito integrato della NEC mPD16510 o equivalenti.
Webcam con sensore CMOS.
Come abbiamo già detto una webcam CMOS è normalmente un prodotto ad elevata scala d’integrazione. Per poter analizzare una camera di questo tipo prendiamo in esame le caratteristiche di uno dei più noti circuiti integrati, con cui vengono realizzate delle webcam disponibili in commercio. Si tratta dell’OV7620, prodotto dalla Omnivision (Fig. 2). L’integrazione di questo dispositivo è talmente spinta da comprendere anche il chip CMOS sensibile alla luce.
Fig.2 aspetto fisico dell’OV7620
I vantaggi principali offerti da questo di sensore sono:
· effetto di blooming (vedi Nota) molto ridotto
· basso consumo e quindi è molto adatto per essere alimentato a batterie
· l’uscita è digitale e pertanto non è necessario impiegare un convertitore analogico/digitale esterno
· il dispositivo è di piccole dimensioni e semplice nell’impiego. Sono necessari solo pochi componenti aggiuntivi (spesso solo un quarzo e qualche condensatore )
· la progettazione di un circuito che lo impiega è in genere semplice.
Nota: per blooming si intende quella macchia molto luminosa che compare sull’immagine dovuta ad effetti di diffusione tra pixel adiacenti
Lo schema a blocchi di questo dispositivo è riportato in Fig. 3
Fig. 3 schema a blocchi dell’OV7620
Nello schema sono facilmente individuabili:
· Il sensore CMOS (1)
· Il sistema di controllo dell’esposizione (2)
· Il doppio convertitore analogico/digitale a 10 bit (3)
Le dimensioni del contenitore di questo circuito integrato, che ospita l’intero dispositivo, sono di appena 14,2 x 14,2 mm. L’area sensibile alla luce ha dimensioni di 4,86 x 3,64 mm. Ma vediamo anche le altre caratteristiche che, nonostante le dimensioni lillipuziane di tutto il complesso, sono di tutto rispetto (Tab.1)
Tab. 1 caratteristiche principali dell’OV7620.
Ovviamente l’elevato grado di integrazione di questo genere di webcam non consente di effettuare modifiche rilevanti. Per esempio nel caso dell’OV7620 è possibile variare il tempo di esposizione inserendo un semplice timer tra alcuni pin. Oltre questo occorre usare un nuovo driver. Dopo avere effettuato queste variazioni è possibile regolare manualmente l’esposizione tra 0,5 e 10 secondi circa, tramite la rotazione di un potenziometro. Tra le tante webcam che usano questo tipo di circuito integrato possiamo citare il modello Webcam Plus e la Spacecam 200 entrambe della Creative, che sono state già modificate con successo seguendo le precedenti indicazioni.
Webcam con sensore CCD.
Vediamo ora di analizzare la costituzione di una webcam con chip CCD. Ovviamente non presenterò in dettaglio lo schema elettrico di un determinato modello. Mi soffermerò essenzialmente sulle funzioni espletate da circuiti integrati che la compongono, che ci possono aiutare ad avere un’idea del funzionamento. Come già detto, questi circuiti integrati sono comuni a molte delle webcam commerciali, quindi, nella sua essenza, il circuito elettrico è molto simile.
Una webcam CCD comprende di norma i seguenti componenti:
· il sensore CCD
· il circuito integrato di controllo del CCD (nella maggioranza dei casi uPD16510 o equivalente)
· un convertitore A/D (analogico/digitale), normalmente a 10 bit, che elabora il segnale d'uscita del sensore, che si presenta in forma analogica, trasformandolo in digitale
· un'altro circuito integrato che sovrintende il funzionamento dell'intera webcam.
Noi per avere punti di riferimento definito, prenderemo in esame dei dispositivi molto diffusi e precisamente:
· ICX098AK Sony per il sensore CCD
· uPD16510 Nec come circuito di controllo del CCD
· TDA8787 Philips come convertitore A/D
· SAA8116 Philips per il circuito di controllo di tutta la webcam
Chiaramente questi componenti citati non sono gli unici ad essere presenti sul mercato. Ci sono anche altri integrati e sensori altrettanto validi che sono correntemente impiegati.
Il chip CCD ICX098AK
Il CCD della Sony IC098AK è un prodotto molto impiegato nelle webcam. Si tratta di un ottimo sensore a colori, con diagonale da 4,5 mm (1/4”), in contenitore 14 piedini plastico, munito di finestra ottica nella sua parte superiore (Fig. 4). I pixel sono quadrati. Supporta il formato VGA. La tecnica di scansione dell’array di pixel è di tipo progressiva e questo permette la lettura individuale del segnale da ogni pixel. Ha incorporato un filtro di tipo RGB (Bayer).
Fig. 4 aspetto dell’ICX098AK
Nella Tab. 2 sono riassunte le principali caratteristiche.
Tab.2 caratteristiche dell’ICX098AK
Osservando attentamente la tabella, alla voce “Parti del chip insensibile alla luce”, si nota che la finestra effettivamente attiva dell’array è spostata rispetto al centro del contenitore del sensore.
La Fig. 5 chiarisce quanto indicato.
Fig. 5 posizione della finestra sensibile alla luce
Nel suo schema a blocchi (Fig. 6) è possibile individuare chiaramente le parti che lo compongono:
· Il registro di scansione orizzontale (A)
· Il registro di scansione verticale (B)
· L’amplificatore ©
Fig. 6 schema a blocchi dell’ICX098AK
Nella Fig. 7 è riportato il responso spettrale di questo sensore. Da notare che la notevole sensibilità all’infrarosso. Proprio per questo motivo, per uso astronomico,viene spesso raccomandato l’uso di un apposito filtro per “tagliare” queste lunghezze d’onda, che contribuisce a dare immagini a colori di buona qualità.
Fig. 7 risposta spettrale dell’ICX098AK
L’ integrato mPD16510
L’mPD16510 è un circuito progettato dalla nota azienda giapponese Nec per il controllo dei CCD impiegati nelle telecamere. Poi è diventato molto popolare per la stessa funzione anche nelle webcam. La sua struttura interna è abbastanza semplice. Nella fig. 8 è possibile vedere lo schema a blocchi.
Fig.8 schema a blocchi del uPD16510
Questo integrato incorpora:
· un circuito di conversione di livello (A)
· uno stadio d’uscita a 3 livelli (B)
La sua funzione è quella di pilotare il CCD come Vertical Register Driver. Per questo vengono usati quattro dei suoi canali. Inoltre un altro canale pilota l’otturatore elettronico.
L'integrato SAA8116
Nella fig. 9 vediamo lo schema interno di un classico circuito di controllo per webcam costruito dalla Philips e da altri produttori. La sigla Philips del dispositivo è SAA8116.
Fig.9 schema a blocchi di un SAA8116
Questo circuito integrato comprende al suo interno:
· un microprocessore (A)
· un'interfaccia USB (B)
· una sezione dedicata all'audio (C)
· circuiti d'elaborazione del segnale video (D)
· un sistema per il controllo dell'alimentazione (E), che permette di ridurre il consumo di tutta la webcam a livelli molto bassi quando non usata (la cosiddetta condizione di standby)
Le sue funzioni sono molteplici. Vediamo le piu importanti:
· il microprocessore interno è basato sulla struttura del l’80C51 e controlla diversi parametri tra cui il controllo automatico del bianco (AWB), l’autoesposizione (AE), l’interfaccia USB.
· è compatibile con sensori VGA CCD e CMOS.
· elabora il segnale RGB
· tiene conto dei pixel difettosi dissimulandoli
· la matrice dei colori è programmabile
· ha la correzione del gamma programmabile
· ha un generatore interno d’impulsi (PPG) adatto a diversi modelli di CCD della Sony, Sharp e Panasonic
· è possibile programmare i tempi di scansione orizzontali e verticali per pilotare correttamente i sensori CMOS
Nella Tab. 3 possiamo vedere i sensori con cui questo circuito integrato è compatibile.
Tab. 3 sensori compatibili con l’SAA8116
Un suo schema d’applicazione tipico, che possiamo considerare come quello scheletrico di una semplice webcam con sensore CCD, è quello riportato in Fig. 10 .
Fig. 10 schema a blocchi applicativo di un SAA8116
L’integrato TDA8787
Il circuito integrato TDA8787 è un convertitore A/D a 10 bit, che permette di trasformare il segnale d’uscita del CCD che è analogico in digitale. Al suo interno sono presenti diversi circuiti tra cui:
· un doppio circuito di campionamento (A)
· un amplificatore (B)
· dei regolatori di tensione di riferimento (C)
· un convertitore analogico/digitale a 10 bit (D)
· un’interfaccia seriale (E)
In Fig. 11 è possibile vedere lo schema a blocchi di questo dispositivo.
Fig. 11 schema a blocchi del TDA8787
Aspetto di una webcam con sensore CCD.
Vediamo ora l’aspetto fisico di una webcam molto nota, utilizzata da tanti dilettanti. Si tratta della TuoCam PCVC740K della Philips (fig. 12). Questa webcam ha dato delle ottime prestazioni nella ripresa delle immagini astronomiche. La sensibilità dichiarata è migliore di 1 lux. Si presta ad essere modificata con relativa facilità poiché si basa sui componenti che abbiamo appena esaminato.
Fig. 12 La TuoCam Pro PCVC740K della Philips.
All’interno del guscio a forma d’uovo si trova un circuito stampato di dimensioni 43 x 37 mm, di cui in fig. 13 e 14 vediamo la faccia superiore e quella inferiore. Come si vede si tratta di un montaggio fatto con componenti saldati direttamente sulle piste del circuito, denominati SMD (Surface Mounting Device) ovvero “dispositivi a montaggio superficiale”. Questa tecnica, sebbene efficiente perché permette di ridurre drasticamente le dimensioni d’ingombro, costringe colui che vuole fare modifiche a questo tipo di circuito ad usare delle modalità particolari di saldatura/dissaldatura dei componenti.
Fig. 13 circuito stampato della TuoCam PCVC740K, lato connettore USB.
Fig. 14 circuito stampato della TuoCam Pro PCVC740K, lato sensore CCD.
Attualmente questa webcam non è più in produzione ed è stata sostituita da un nuovo tipo: la TuoCam Pro II. L’aspetto estetico è notevolmente cambiato (Fig.15) ma il circuito elettronico è essenzialmente invariato, pertanto anche questo nuovo modello si presta ad essere modificato.
fig. 15 TuoCam Pro II PCVC 840K.
Qualche problema viene dal fatto che mentre nel primo modello di TouCam era possibile alloggiare direttamente dentro il suo stesso contenitore i circuiti ausiliari di modifica, con la TuoCam Pro II questo non è più possibile, perché l’involucro della webcam è di dimensioni notevolmente minori. Pertanto qualora si desideri effettuare delle modifiche è praticamente obbligatorio smontarla, ricavandone il circuito stampato che alloggia i componenti. Questo sarà poi rimontato in un contenitore realizzato appositamente oppure scelto tra i tanti reperibili in commercio adatti al montaggio di circuiti elettronici.
Conclusione.
Da questo sintetico esame dei circuiti delle webcam scaturiscono alcune conclusioni che, pur essendo basate sulle mie esperienze personali, possono dare una linea guida nella scelta di una webcam per uso astronomico:
· viste le considerazioni fatte sulle webcam CMOS e sui loro sensori, queste devono essere preferibilmente utilizzate così come fornite dal costruttore
· se si vogliono fare delle modifiche per regolare il tempo d’esposizione, raffreddare il sensore ecc. occorre munirsi di webcam con sensore CCD, tenendo conto dei vincoli circuitali esposti (uso del mPD16510)
Un ultimo consiglio: prima di iniziare a modificare una webcam studiatela a fondo per trovare la migliore soluzione sia elettronica sia meccanica. Questa è la garanzia per avere successo in questa operazione. Consiglio inoltre di consultare gli innumerevoli siti Internet dove sono indicate con dovizia di particolari tutte le modifiche effettuabili per un particolare modello. Per chi conosce l’inglese un ottimo punto di partenza sono le pagine di Steve Chambers. L’attuale indirizzo web è indicato nella Bibliografia alla prima voce degli Indirizzi Web.
Bibliografia
Data sheet Philips: SAA8116, TDA8787
Data sheet NEC: mPD16510
Data sheet Sony: ICX098AK
Data sheet ST: 24C04W6
Spie's oemagazine, febbraio 2002 Pag.30-33 “Dueling Detectors” James Janesick Sarnoff Corp.
“Photogrammetric Week 01”, D.Fritsch & R.Spiller Eds. Wichmann Verlag, Heidelberg,2001
Pag. 131-137 Nicolas Blanc, Zurich “CCD versus CMOS - has CCD imaging come to an end?”
The University of Edinburgh, november 1998 Neil Marston, “Solid state imaging: a critique of the CMOS sensors”
Users Manual PCVC740K TuoCam Pro Philips
Indirizzi web:
http://www.pmdo.com ........ .......................le modifiche alle webcam di Steve Chambers
http://www.rccr.cremona.it …………………….in italiano
http://www.stellarproducts.com ..... misure sulle TuoCam
http://www.telescopes-astronomy.com.au
http://www.stargazing.net
http://products.sel.sony.com ………………………………… sensori Sony
http://www.kodak.com .............................................. sensori Kodak
http://www.ovt.com ..................................................................sensori CMOS Omnivision
http://www.consumer.philips.com ...............................................................webcam Philips
http://www.progressivescan.co.uk …………………..scansione progressiva e interlacciata
http://www.canon.com …………sensori Canon
http://homepage.ntlworld.com ...................………...elenco di webcam usate per immagini astronomiche
[1] L’efficienza quantica QE è l’abilità del sensore ad intercettare fotoni e generare di conseguenza degli elettroni per effetto fotoelettrico.
Marco Bagaglia
Fonte: http://www.bellatrixobservatory.org